地壳变形模拟装置及系统

摘要

本公开公开了地壳变形模拟装置和系统。该装置包括：基座；多个柔性片，所述柔性片是不透水的，并且所述柔性片的数量大于等于6；连接带，连接相邻的所述柔性片并密封相邻的所述柔性片间的间隙，所述连接带是柔性的并且是不透水的；与所述多个柔性片对应的多个板，每个所述板固定在对应的所述柔性片的下表面上；连杆，每个所述板由多个连杆支撑，所述多个连杆的第一端分别连接至对应的板的下表面，所述多个连杆的第二端分别连接至所述基座，每个所述连杆都是独立可伸缩的。应用本公开，可准确地模拟地壳变形和运动，例如圆形穹窿或椭圆穹窿的上升以及圆形坳陷或椭圆坳陷的沉降等。

说明书

技术领域

本公开涉及地学研究领域，更具体地，涉及一种地壳变形模拟装置和一种地壳变形模拟系统。

背景技术

地壳变形模拟装置是用于模拟地球表层因地质形变对河流发育演变(包括河型、平面形态、纵横剖面、边界物质组成及泥沙运动等)影响的装置。现有的地壳变形模拟装置在模拟地壳构造变形的形式和速率方面有很大程度的失真，其通常只能模拟比较单一的地壳上升/沉降、掀斜或断块升降。特别地，现有地壳变形模拟装置在模拟穹窿上升及坳陷沉降时，实际上呈现的是方塔状上升或方形漏斗沉降，而无法模拟圆形穹窿或椭圆穹窿的上升以及圆形坳陷或椭圆坳陷沉降，尤其是无法模拟穹窿中心与周边的非匀速上升以及坳陷中心与周边的非匀速的沉降，此处的非匀速指在变化过程中其速度是变化的。

发明内容

本公开提出了一种可更为准确地模拟地壳变形的地壳变形模拟装置。

根据本公开的一方面，提出了一种地壳变形模拟装置，该装置包括：基座；多个柔性片，所述柔性片是不透水的，并且所述柔性片的数量大于等于6；连接带，连接相邻的所述柔性片并密封相邻的所述柔性片间的间隙，所述连接带是柔性的并且是不透水的；与所述多个柔性片对应的多个板，每个所述板固定在对应的所述柔性片的下表面上；连杆，每个所述板由多个连杆支撑，所述多个连杆的第一端分别连接至对应的板的下表面，所述多个连杆的第二端分别连接至所述基座，每个所述连杆都是独立可伸缩的。

根据本公开的另一方面，提出了一种地壳变形模拟系统，所述系统包括驱动器和如上所述的地壳变形模拟装置，所述驱动器驱动所述地壳变形模拟装置的各个连杆独立地伸长或缩短，并且，在运动过程中，支撑同一个板的多个连杆的第一端处于同一平面。

本公开的各方面通过分别控制不少于6个彼此耦合的板，可更为准确地模拟地壳变形和运动，例如圆形穹窿或椭圆穹窿的上升以及圆形坳陷或椭圆坳陷的沉降，以便于研究地壳的变形和运动对流域、河道以及河口演变等影响，还可研究河型多角度成因及机理等。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同或相似的部件。

图1示出了根据本公开的一个实施例的地壳变形模拟装置的示意图。

图2示出了图1所示的实施例中连接带的局部放大示意图。

图3示出了图1所示的实施例中单个板及其连杆的示意图。

图4示出了图1所示的实施例中板与连杆间的连接的局部放大示意图。

图5示出了对根据本公开的一个具体示例性实施例的地壳变形模拟装置中的板进行编号的示意图。

图6示出了当模拟“纵向圆形穹窿隆起”时图5所示的板在多个剖面的示意图。

图7示出了当模拟“纵向椭圆穹窿隆起”时图5所示的板在多个剖面的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

图1示出了根据本公开的一个实施例的地壳变形模拟装置的示意图。该地壳变形模拟装置包括多个柔性片101、连接带102、与多个柔性片101对应的多个板(因视图角度原因未示出)、连杆104和基座105。柔性片101是不透水的，并且发明人经过深入研究发现，为了解决可模拟地壳的圆形穹窿或椭圆穹窿的上升以及圆形盆状坳陷或椭圆坳陷沉降的问题，该地壳变形模拟装置中采用的柔性片101应当大于等于6。在大于6个的情况下，块数越多(例如，大于等于9)，则有利于使其模拟地更为精确。连接带102连接相邻的柔性片101并密封相邻的柔性片101间的间隙。连接带102是柔性的并且是不透水的。各个板分别固定在对应的柔性片101的下表面上。每个板由多个连杆104支撑，连杆104的第一端连接至对应的板的下表面，连杆104的第二端连接至基座105。每个连杆104都是独立可伸缩的。

可将泥沙以及水流置于柔性片101所形成的面的上方。可通过调整连杆104的伸缩，来调整柔性片101所形成的面的形态，以模拟地壳构造的形态和/或地壳构造的变形过程，以据此来研究地壳的变形和运动对流域、河道以及河口发育演变等影响，还可研究河型多维成因及机理等。

柔性片101可以由任意柔性不透水片状材料构成，例如柔性不透水胶皮等，其厚度可例如在4-6mm之间；固定在柔性片101下表面上的板可以是具有一定刚性的板状构件以支撑柔性片101，例如该板可以是钢板等；连接带102也可以由任意柔性不透水片状材料构成，例如是胶皮等。

在本实施例中，在多个柔性片101处于同一平面的状态下，这些柔性片101可以呈矩形阵列排布，该矩形阵列的行和列可以都包含至少两个柔性片，以更为逼真地模拟圆形和/或椭圆形的穹窿/坳陷。图1所示的12个柔性片101呈3x4矩形阵列排布，根据本公开的其他实施例，12个柔性片101也可以呈2x6的矩形阵列排布。根据本公开的其他实施例，如果柔性片101的数量为6，则其可呈现2x3的矩形阵列排布；如果柔性片101的数量为8，则其可呈现2x4的矩形阵列排布；如果柔性片101的数量为9，则其可呈现3x3的矩形阵列排布；如果柔性片101的数量为10，则其可呈现2x5的矩形阵列排布，等等。

在在运动过程中，支撑同一个板的多个连杆104的第一端(即与板连接的一端)可以处于同一平面，以避免使板发生弯曲。

在本实施例中，每个柔性片101的尺度可等于或略大于其对应的板，柔性片101可完全覆盖对应的板。

图2示出了图1所示的实施例中连接带102的局部放大示意图。

图3示出了图1所示的实施例中单个板103及其连杆104的示意图。本实施例中的板103可以是矩形的(例如，包括正方形)，板103可由4个连杆104来支撑。4个连杆104的第一端可分别连接至板103的下表面上四个角的部位，其第二端可分别连接至基座105。例如，连杆104的第一端可通过3自由度(例如，沿接触面的X轴和Y轴方向的移动以及绕垂直于XOY平面的Z轴的转动)球形铰链固定至板103的下表面。例如，连杆的第二端可通过2自由度(例如，沿接触面的X轴和Y轴方向的移动)虎克铰链固定至基座105。在此情况下，连杆104的两端均可形成共点多轴线运动副，如此使得板103相对于基座105可进行6(3x2)个自由度的独立运动，从而可在三维空间内做任意方向的移动和绕任意轴线的转动，更便于调节板103的空间位置和姿态。

图4示出了板103与连杆104间通过3自由度球形铰链连接的局部放大示意图，该球形铰链连接可承受2.5吨以上的压力。

例如，每个连杆103可包括丝杠传动单元、速度控制器和限位控制器。如本领域技术人员已知的，丝杠传动单元可包括螺杆和螺母等，可通过螺杆转动带动螺母直线运动，从而实现连杆103的伸缩。限位控制器可限定丝杠传动单元中的螺母的移动范围。限位控制器限定所述丝杠传动单元中的丝杠的转动速度。

实施例2

本申请还公开了一种地壳变形模拟系统，该系统包括驱动器和如上所述的地壳变形模拟装置，驱动器驱动地壳变形模拟装置的各个连杆独立地伸长或缩短。在运动过程中，支撑同一个板的多个连杆的第一端(即与板连接的一端)处于同一平面。

例如，该驱动器可给连杆上的速度控制器和限位控制器提供相应的信号，以独立地控制各个连杆伸长或缩短，同时协同控制支撑每个柔性片的多个连杆，以确保在运动过程中支撑同一个板的多个连杆的第一端(即与板连接的一端)处于同一平面，以避免使板发生弯曲。

在本实施例中，在驱动器的驱动下，根据本公开的地壳变形模拟装置中的多个所述柔性片不仅能模拟比较单一的地壳上升、沉降、掀斜和断块升降等形态，其还可模拟以下形态中的至少一种：圆形穹窿上升，其中圆形穹窿的中心与周边匀速或非匀速上升；椭圆穹窿上升，其中椭圆穹窿的中心与周边匀速或非匀速上升；圆形坳陷沉降，其中圆形盆状坳陷的的中心与周边匀速或非匀速沉降；椭圆坳陷沉降，其中椭圆状坳陷的中心与周边匀速或匀速沉降。

应用示例

为便于理解本公开实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本公开，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本公开。

地壳的缓慢构造运动大体上可分为6大类：褶皱运动、挠曲运动、隆起上升、坳陷沉降、断块运动、掀斜运动。

褶皱运动：指地块弯曲的构造运动。褶皱具有褶皱轴、褶皱两翼。轴的方向为褶皱的走向。褶皱翼垂直于褶皱轴的方向为褶皱翼的倾向，垂线的水平夹角为褶皱翼的倾角。如果倾角向下，即两翼相背，则褶皱为背斜构造，或称背斜褶皱；反之，如果倾角向上，即两翼相向，则褶皱为向斜构造，或称向斜褶皱。

挠曲运动：由一个上突的背斜褶皱与下凹的向斜褶皱组成。

隆起上升:指中间抬升、周边相对不动的隆起为穹窿隆起。周边为圆形的称圆形穹窿隆起；周边为椭圆的称椭圆穹窿隆起。

坳陷沉降：指中间沉降、周边相对不动的沉降为坳陷沉降。周边为圆形的称圆形坳陷沉降；周边为椭圆的称椭圆坳陷沉降。

断块运动：指两地块(上、下盘)断裂上下错动的构造运动。其包括：正断层、逆断层、地垒及地堑四种构造运动。两地块的搓开面称之为断层面，断层面的水平线方向为断层面走向，断层面上与走向垂直的方向为断面倾向，垂线的水平夹角为断层面倾角。上盘相对上升，下盘相对沉降，为正断层，断层面倾角一般小于90度；上盘相对沉降，下盘相对上升，为逆断层，断层面倾角一般大于90度。中间断块相对上升而左、右两断块相对沉降，形成地垒构造运动；中间断块相对沉降而左、右两断块相对上升，形成地堑构造运动。一系列相间排列的地垒、地堑，构成箱状构造。

掀斜运动:指大面积地块一侧整体抬升、另一侧整个沉降或相对不动的构造运动；或者大面积地块一侧相对不动、另一侧整个沉降的构造运动。

图5示出了对根据本公开的一个具体示例性实施例的地壳变形模拟装置中的板进行编号的示意图。该示例性实施例中，每个板可以为长、宽均为约1800mm的正方形，相邻板的间隙约为100mm。具有如图5所示的板的排布的地壳变形模拟装置，可被配置模拟这6大类中多种形态的地壳变形。例如，其至少可模拟如下的82种地壳变形，下文中的横向轴可指其轴向垂直于河流方向的轴线，纵向轴可指其轴向平行于河流方向的轴线，平轴是指横向轴或纵向轴呈水平的轴线，斜轴是指横向轴或者纵向轴与水平面有一定夹角的轴线。

(12种褶皱运动)

(其中6种纵向(横向轴))

Ⅰ-1-1平轴背斜

Ⅰ-1-2平轴向斜

Ⅰ-1-3斜轴背斜(向下游)

Ⅰ-1-4斜轴向斜(向下游)

Ⅰ-1-5斜轴背斜(向上游)

Ⅰ-1-6斜轴向斜(向上游)

(另6种横向(纵向轴))

Ⅰ-2-1平轴背斜

Ⅰ-2-2平轴向斜

Ⅰ-2-3斜轴背斜(左向右)

Ⅰ-2-4斜轴向斜(左向右)

Ⅰ-2-5斜轴背斜(右向左)

Ⅰ-2-6斜轴向斜(右向左)

(12种挠曲运动)

(其中6种纵向(横向轴))

Ⅱ-1-1平轴挠曲(背斜-向斜)

Ⅱ-1-2平轴挠曲(背斜-向斜)

Ⅱ-1-3斜轴挠曲(背斜-向斜)(左向右)

Ⅱ-1-4斜轴挠曲(向斜-背斜)(左向右)

Ⅱ-1-5斜轴挠曲(背斜-向斜)(右向左)

Ⅱ-1-6斜轴挠曲(向斜-背斜)(右向左)

(另6种横向(纵向轴))

Ⅱ-1-1平轴挠曲(背斜-向斜)

Ⅱ-1-2平轴挠曲(背斜-向斜)

Ⅱ-1-3斜轴挠曲(背斜-向斜)(向下游)

Ⅱ-1-4斜轴挠曲(向斜-背斜)(向下游)

Ⅱ-1-5斜轴挠曲(背斜-向斜)(向上游)

Ⅱ-1-6斜轴挠曲(向斜-背斜)(向上游)

(8种隆起与坳陷)

(其中4种隆起上升)

Ⅲ-1-1纵向圆形穹窿隆起

Ⅲ-1-2纵向椭圆穹窿隆起

Ⅲ-1-3横向圆形穹窿隆起

Ⅲ-1-4横向椭圆穹窿隆起

(另4种坳陷沉降)

Ⅲ-1-1纵向圆形坳陷沉降

Ⅲ-1-2纵向椭圆坳陷沉降

Ⅲ-1-3横向圆形坳陷沉降

Ⅲ-1-4横向椭圆坳陷沉降

(8种正向断块运动)

(其中4种纵向正断层(横向断层面))

Ⅳ-1-1上游盘上升，下游盘不动

Ⅳ-1-2上游盘不动，下游盘上升

Ⅳ-1-3上游盘上升，下游盘下滑

Ⅳ-1-4上游盘下滑，下游盘上升

(另4种横向正断层(纵向断层面))

Ⅳ-2-1左盘上升，右盘不动

Ⅳ-2-2左盘不动，右盘上升

Ⅳ-2-3左盘下滑，右盘上升

Ⅳ-2-4左盘上升，右盘下滑

(8种逆向断块运动)

(其中4种纵向逆断层(横向断层面))

Ⅴ-1-1上游盘下滑，下游盘不动

Ⅴ-1-2上游盘不动，下游盘下滑

Ⅴ-1-3上游盘下滑，下游盘上升

Ⅴ-1-4上游盘上升，下游盘下滑

(另4种横向逆断层(纵向断层面))

Ⅴ-2-1左盘下滑，右盘不动

Ⅴ-2-2左盘不动，右盘下滑

Ⅴ-2-3左盘上升，右盘下滑

Ⅴ-2-4左盘下滑，右盘上升

(13种地垒)

(其中8种纵向地垒(横向断层面))

Ⅵ-1-1上游盘不动，地垒上升，下游盘不动，地垒上升

Ⅵ-1-2地垒上升，上游盘不动，地垒上升，下游盘不动

Ⅵ-1-3上游盘不动，地垒(2块板)上升，下游盘不动

Ⅵ-1-4地垒上升，中游盘(2块板)不动，地垒上升

Ⅵ-1-5上游盘上升三级，中游盘上升二级，下游盘上升一级，更下游盘不动

Ⅵ-1-6上游盘上升二级，中游盘上升三级，下游盘上升一级，更下游盘不动

Ⅵ-1-7上游盘上升一级，中游盘上升二级，下游盘上升三级，更下游盘不动

Ⅵ-1-8上游盘上升一级，中游盘上升三级，下游盘上升二级，更下游盘不动

(另5种横向地垒(纵向断层面))

Ⅵ-2-1左盘上升，中右盘不动

Ⅵ-2-2中盘上升，左右盘不动

Ⅵ-2-3右盘上升，左中盘不动

Ⅵ-2-4左盘上升二级，中盘上升一级，右盘不动

Ⅵ-2-5右盘上升二级，中盘上升一级，左盘不动

(13种地堑)

(其中8种纵向地堑(横向断层面))

Ⅶ-1-1上游盘不动，地堑沉降，下游盘不动，地堑沉降

Ⅶ-1-2地堑沉降，上游盘不动，地堑沉降，下游盘不动

Ⅶ-1-3上游盘不动，地堑(2块板)沉降，下游盘不动

Ⅶ-1-4地堑沉降，中游盘(2块板)不动，地堑沉降

Ⅶ-1-5上游盘沉降三级，中游盘沉降二级，下游盘沉降一级，更下游盘不动

Ⅶ-1-6上游盘沉降二级，中游盘沉降三级，下游盘沉降一级，更下游盘不动

Ⅶ-1-7上游盘沉降一级，中游盘沉降二级，下游盘沉降三级，更下游盘不动

Ⅶ-1-8上游盘沉降一级，中游盘沉降三级，下游盘沉降二级，更下游盘不动

(另5种横向地堑(纵向断层面))

Ⅶ-2-1左盘沉降，中右盘不动

Ⅶ-2-2中盘沉降，左右盘不动

Ⅶ-2-3右盘沉降，左中盘不动

Ⅶ-2-4左盘沉降二级，中盘沉降一级，右盘不动

Ⅶ-2-5右盘沉降二级，中盘沉降一级，左盘不动

(8种掀斜运动)

(其中4种纵向掀斜运动(横向掀斜面))

Ⅷ-1-1上游盘上升，下游盘不动

Ⅷ-1-2上游盘不动，下游盘上升

Ⅷ-1-3上游盘上升二分之一，下游盘沉降二分之一

Ⅷ-1-4下游盘上升二分之一，上游盘沉降二分之一

(另4种横向掀斜运动(纵向掀斜面))

Ⅷ-2-1左盘上升，右盘不动

Ⅷ-2-2左盘不动，右盘上升

Ⅷ-2-3左盘上升二分之一，右盘沉降二分之一

Ⅷ-2-4右盘上升二分之一，左盘沉降二分之一

为了进一步说明本申请的有益效果，图6示出了当模拟“纵向圆形穹窿隆起”时图5所示的板在多个剖面的示意图。图6中还以“点-线”形式的虚线示出了多个柔性片所呈现的形态，可以看出多个柔性片所呈现的形态较为平滑。图6中各个板采用和图5中相同的编号。其中，图6(a)为纵向中心铺面图；图6(b)为横向中心剖面图；图6(c)为第一对角中心剖面图；图6(d)为第二中心对角剖面图。本领域技术人员可以理解的是，当模拟“横向圆形穹窿隆起”时，其各个角度的剖面图和“纵向圆形隆起”时相同；当模拟“纵向圆形坳陷沉降”和“横向圆形坳陷沉降”，其与“隆起”的区别仅是方向相反，即改变图6中“h”的符号。

图7示出了当模拟“纵向椭圆穹窿隆起”时图5所示的板在多个剖面的示意图，图7中各个板采用和图5中相同的编号。其中，图7(a)为纵向中心剖面图；图7(b)、(c)为横向中心剖面图；图7(d)为第一对角中心剖面图；图7(e)为第二中心对角剖面图。同样地，根据图7所示的“纵向椭圆穹窿隆起”，本领域技术人员可获得“纵向椭圆坳陷沉降”、“横向椭圆穹窿隆起”、“横向椭圆坳陷沉降”的形态，为了使描述简要，本公开中不再对其一一详细介绍。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。